全CMOS基准电压源的分析与仿真
0 引言
模拟电路广泛地包含基准源。这种基准源是一个直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。本文对四种基本mos管基准电压源进行分析和仿真。
1 mos分压基准电路
一个最容易想到的基准电源就是在两个电源之间进行分压而得到。当然，用来分压的器件可以是无源器件也可以是有源器件。但是这样得到的基准电压与电源电压成正比。
电路如图1所示。图1(a)是由电阻和二极管联接的mos管构成的分压器。hspice下取电源电压vdd=3.3v，w/l=1.8/0.18μm，取电阻为4kω时，其温度特性如图2(a)所示。温度在0～80℃变化时输出vref在1.195～1.245v之间变化。如图2(b)所示，电源电压在0～3.3v变化时，输出电压vref在0～1.245v之间变化。
图1(b)是由两个mos管串联构成的分压电路。其温度特性如图3(a)所示。温度在0～80℃变化时输出vref在1.236～1.26v之间变化。在图3(b)中，电源电压在0～3.3v变化时，输出电压vref在0～1.26v之间变化。可见，输出电压依赖于电源电压的变化而变化非常明显。
2 自偏置mos管基准电压源
电路如图4所示。(w/l)1=(w/l)2=1.8μm/0.18μm，(w/l)3=(w/l)4=1.8μm/0.36μm。取r1=100ω时，仿真结果如图5所示。输出电压vref对电源电压的依赖性依然很强。可见，温度在0～80℃变化时，输出电压在1.14～1.24v变化。
3 带启动电路的自偏置mos管基准电压源
在图4电路中，当电源上电时，所有的晶体管均传输零电流，因为环路两边的分支允许零电流，则它们可以无限期地保持关断。这中问题被称为电路的启动问题。如图6所示，m1、m4和m7组成启动电路。图中m1、m4、m5、m6和m7管子的宽长比相同为1.8μm/0.18μm，(w/l)2=0.9μm/0.18μm，(w/l)3=0.72μm/0.18μm。其输出电压特性曲线如图7所示。可见，温度在0～80℃变化时，输出电压在1.009～1.016v变化，温度特性较好。
4 高精度mos管电压源
图8所示电路是在图4的基础上增加了一个差分运放电路，通过该运放强制使得m1和m2的漏一源电压相等，从而极大地削弱沟道调制效应产生的影响。而运放的输出为m1和m2提供了栅极偏置电压。
图8中m1-m2、m5-m10的w/l=1.8μm/0.18μm，m3-m4的w/l=3.6μm/0.18μm。仿真结果如图9所示，温度在0～80℃变化时，输出电压在661.4～662.6mv之间变化，温度特性很好。电源电压在2.5～3.3v变化时，输出电压在580～660mv之间变化。
5 小结
基准电压源电路作为模拟集成电路不可缺少的模块，对其进行分析和研究具有重要意义。本文通过hspice对四种mos管基准电压源电路进行仿真，给出了电路图、电路参数和仿真结果。
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电路如图1所示。图1(a)是由电阻和二极管联接的mos管构成的分压器。hspice下取电源电压vdd=3.3v，w/l=1.8/0.18μm，取电阻为4kω时，其温度特性如图2(a)所示。温度在0～80℃变化时输出vref在1.195～1.245v之间变化。如图2(b)所示，电源电压在0～3.3v变化时，输出电压vref在0～1.245v之间变化。
图1(b)是由两个mos管串联构成的分压电路。其温度特性如图3(a)所示。温度在0～80℃变化时输出vref在1.236～1.26v之间变化。在图3(b)中，电源电压在0～3.3v变化时，输出电压vref在0～1.26v之间变化。可见，输出电压依赖于电源电压的变化而变化非常明显。
2 自偏置mos管基准电压源
电路如图4所示。(w/l)1=(w/l)2=1.8μm/0.18μm，(w/l)3=(w/l)4=1.8μm/0.36μm。取r1=100ω时，仿真结果如图5所示。输出电压vref对电源电压的依赖性依然很强。可见，温度在0～80℃变化时，输出电压在1.14～1.24v变化。
3 带启动电路的自偏置mos管基准电压源
在图4电路中，当电源上电时，所有的晶体管均传输零电流，因为环路两边的分支允许零电流，则它们可以无限期地保持关断。这中问题被称为电路的启动问题。如图6所示，m1、m4和m7组成启动电路。图中m1、m4、m5、m6和m7管子的宽长比相同为1.8μm/0.18μm，(w/l)2=0.9μm/0.18μm，(w/l)3=0.72μm/0.18μm。其输出电压特性曲线如图7所示。可见，温度在0～80℃变化时，输出电压在1.009～1.016v变化，温度特性较好。
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图8所示电路是在图4的基础上增加了一个差分运放电路，通过该运放强制使得m1和m2的漏一源电压相等，从而极大地削弱沟道调制效应产生的影响。而运放的输出为m1和m2提供了栅极偏置电压。
图8中m1-m2、m5-m10的w/l=1.8μm/0.18μm，m3-m4的w/l=3.6μm/0.18μm。仿真结果如图9所示，温度在0～80℃变化时，输出电压在661.4～662.6mv之间变化，温度特性很好。电源电压在2.5～3.3v变化时，输出电压在580～660mv之间变化。
5 小结
基准电压源电路作为模拟集成电路不可缺少的模块，对其进行分析和研究具有重要意义。本文通过hspice对四种mos管基准电压源电路进行仿真，给出了电路图、电路参数和仿真结果。
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